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数学模型和数值计算预测的另一个难点是土的参数的选取,它受到取样(制样)和试验手段的限制。原状土在取样过程中不可避免地受到扰动和发生应力释放,会破坏其结构性。即使是重塑土试样,制样的方式、器具和操作程序的差别也严重影响试验的结果。另一方面,目前使用的土工试验仪器也存在局限性。以真三轴仪为例,由于边界之间的干扰,试样的应力和应变的均匀是很难保证的。
在对地基和土工建筑物的探测方面,土层的时空变异及人类活动给勘探测试及其结果的判释造成困难。除此以外,岩土工程中的复杂边界条件和施工过程中的诸多因素也严重影响工程的实际结果。
在我国每年发表和撰写了大量的论文和报告,提出了各种理论、模型、计算方法、计算程序和技术手段,常常伴以试验或者实测数据的验证,其结果也常常是“符合得很好”。自己的试验或观测证实了理论或者方法的完美,正是:“各夸自家颜色好,百花园中各称王。”这种结果的可信性很值得怀疑。笔者在评阅一些论文和成果时,对于那些二者符合得完美到天衣无缝的图与曲线,常常怀有很大的不信任感;而对于存在相当差别,甚至坦率地承认预测的不成功的情况,则是完全理解的。可惜后者较少。
近年来,主要在国外进行了多次的“考试”或者“竞赛”活动:首先委托一个(或几个)单位进行所谓的“目标试验”,亦即需要预测或者预算的试验或实例。其结果是保密的,或者预测前不做试验,预测以后在试验。事先公布有关的土的一般资料、基本试验的数据(为确定有关参数)和目标试验的应力(应变)路径。在全世界或者一定范围征求参赛者(参加目标试验的人不参赛)。全部预测结果上交以后,公布试验结果。一般是召开研讨会,评估或者评分。参赛者也常常进行申辩和总结。这是一种客观、公正和有权威性的检查比较方式。也是推动岩土工程发展的十分有益的活动和手段。它使我们认识到在岩土工程领域,我们的认识能力和预测能力到底有多高。
试验方法和设备的检验比较
1.不同仪器的相同试验的检验
1982年在法国Grenoble召开的“土的本构关系国际研讨会”上①,用剑桥式的立方体真三轴仪分别由德国的Karlsrube大学和法国的Grenoble大学对同样的砂土和粘性土进行复杂应力路径和应变路径的真三轴试验,两份试验结果是存在着差别的。由于使用的仪器与土料都是相同的,差别主要源于操作方法和技巧。
1987年在美国克里夫兰召开的“非粘性土的本构关系国际研讨会”上②,利用美国Case大学的空心圆柱扭剪仪和法国Grenoble大学的剑桥式立方体真三轴仪进行砂土的相同应力路径的试验。试验内容包括:
(1)b=不同常数的不同密度两种砂土的真三朝试验;其中,b=(σ1-σ2)/(σ1-σ3)
(2)在π平面上应力路径为圆周(两周)的的真三轴试验。
(b=常数的真三轴试验与空心圆柱试验的比较)表示了对于Hostun密砂(干密度ρd=1.65g/cm3)在b=不同常数,中主应力ρ2=500kPa保持不变,用两种仪器试验得到的轴向应力与轴向应变关系曲线,轴向应变和体应变的关系曲线。可见在b=0和0.28时,不同仪器试验结果的差别是很大的。但是在评价它们时,主持者说:对于轴应变,除了0.286的结果很差(verypoor)以外,其他的曲线符合的很好(verywell);(b.体应变εv与轴向应变εz间试验曲线)的曲线认为符合得很优良(excellent)。对比我们的一些论文中理论与实际曲线二者丝丝入扣的符合,就显得很不真实。在这两个试验中试样的破坏形态也有很大不同:空心圆柱试样发生颈缩;立方体试样产生V形的剪切带。这些差别可能是由于试样的制样方法不同,试样中的实际应力分布不同和试验中的边界条件不同引起的。
2.土工离心机模型试验
1986年由欧洲共同体资助,发起“土工离心机的合作试验”③。参赛者有三家:英国的剑桥大学、法国的道桥中心研究室和丹麦的工程院。试验的内容是模拟饱和砂土地基上的圆形浅基础的承载力和荷载—沉降关系。试验土料统一为巴黎盆地天然沉积的一种均匀石英细砂。模型地基的孔隙比规定为e=0.66(相对密度Dr=86%),规定圆形基础的模型尺寸为直径D=56.6mm,离心加速度=28.2g,基底完全粗糙。此前,由丹麦岩土研究所对于这种土进行了物性试验和三轴试验,其结果公布于众。要求荷载—沉降关系表示成无量纲的变量q/γˊnb-s/b公关系曲线。
其中:
q=基础上施加的荷载(kPa)
γˊ=乙土的浮容重(kN-m3)
n=重力加速度水平,即模型比尺
b=模型基础的尺寸(m)
s=基础的中心垂直沉降(m)
同时也进行了相同条件下的现场载荷试验,以便与模型试验结果对比。
这三家使出了浑身解数,精心制样、安装、运转和量测,反复摸索,反复校验,校正各种参数和影响因素。剑桥大学还在离心机上作了静力触探试验。最后,剑桥大学提交了一组试验结果,另外两家按要求给出了一条曲线。图2(圆形天然浅基础的试验荷载-沉降关系曲线)表示了其试验结果,其中剑桥大学是笔者选取的最接近于要求的条件的试验结果(e=0.664)。
可见,这种世界先进水平的土工离心模型试验的误差在±30%以上。值得提出的是,这是一种条件非常简单明确的模型试验。而现场的工程实际情况的条件和影响因素远比这复杂。在这个试验中,加载速率、模型地基砂的密度、制样方法和运行程序对试验结果都有影响。例如剑桥大学的试验表明,砂土的孔隙比变化0.01(相当于相对密度变化3%),则其承载力变化18%,如图3(地基承载力与模型地基孔隙比间关系—剑桥大学试验结果)所示。而由于模型地基是先制样,后运转,保证地基内砂土处处均匀,孔隙比误差在0.01范围内是有较大难度的。
3.单桩的动测法的考试
1992年在荷兰海牙进行了一次动测桩的“考试”④。在第一轮,10根预制桩预先被沉入地基,桩径250mm,桩长18m(7#桩17m)。要求测出其预制的“缺陷”。其中一根桩完整无缺;其余的9根桩各有缺陷:颈缩、扩径和在不同部位的10mm宽,130mm深的刻槽。事先由特尔夫公司进行了地基勘察,将土层资料公布于众。有12家具有国际声誉的公司参赛,用小应变动测法检测。结果是:平均测对4根;最多对7根,最少对两根。没有一家测出那根完整无损的桩。他们认为对于只有10mm宽的缺痕很难分辨。
第二轮是沉入11.5m-19m长的5根桩,然后用静载荷试验测出极限承载力。10家公司用大应变动测法测试其极限承载力。其结果也不乐观。比如,由静载试验为340kN的一根桩,各家给出的结果分布在90kN-510kN的范围。
4.堤防隐患检测的“大比武”
我国目前有各类堤防25万公里,很多已具有几百年的历史。是民堤逐年加高培厚或者在汛期抢修形成的。地质条件及堤身土料和质量千差万别,隐患很多。1998年洪水期间发生的许多险情和决口都是由于渗透通道形成的管涌和蚁穴鼠洞、裂隙异物和局部疏松土体等造成的。为此水利部和防汛办于1999年3月在湖南宜阳召开了“堤防隐患综合检测技术检验会”也北被称为“大比武”。
有我国的十几家科研院所、大专院校和少数厂家(包括美国的劳雷公司)参加。检测堤段位于宜阳的一段废堤上。每个参赛的检测方法负责200米堤段,时间是两小时。几处“隐患”是事先人工布置的,埋设了稻草、钢管,模拟蚁穴和鼠洞。一般在两米深范围内。人们使用的测试手段包括:高密度电阻率法、瞬变电磁法、地震波法、弹性波法和探地雷达等。这些方法都有一定的分辨率限制,即分辨尺寸与深度之比一般是相对固定的。因而两米深的隐患的检测不应算是难题。检测结果聘请有关专家评审,打分。图4(堤防隐患的检测结果评分)所给的分数只是相对的。组织者对于测试结果是不满意的。参赛者各自对其结果的误差的原因进行了解释。针对这种结果,水利部斥资几百万,开展专题研究,目标是“傻瓜”式的快速检测仪器和方法。关键问题可能是要结合各地具体情况和长期的抗洪防汛经验,因地制宜,积累资料和经验,合理判释,仪器才会发挥作用。很难想象,可以身背“傻瓜机”,走遍天下都会灵验。
土的本构关系的检验
80年代以来,关于土的本构关系的“考试”至少进行了3次。1980年美国和加拿大召开了“岩土工程中极限平衡、塑性理论和一般的应力应变关系北美研讨会”⑤。会前用两种天然粘土、一种重塑的高岭粘土和渥太华砂进行了一系列试验。试验包括:
平均主应力p=常数的三轴试验,
b=常数的真三轴试验
砂土在π平面上应力路径为圆周的真三轴试验
天然粘土大主应力方向与其沉积方向成不同角度的三轴试验。
事先将土的物性参数和基本试验的结果公开提供。然后在全世界范围征求参赛者。参加预测的有个不同国家的17个本构模型。从给出的结果看,轴向应力应变关系(σ1-σ3)~ε1预测的精度一般尚可;体应变预测的精度差别很大。对于应力路径在π平面上为圆周的情况,许多模型无能为力。由于原状土的各向异性,对于其循环加载和超固结性状很难预测,只有少数模型参加了预测。结果表明,没有一个模型能够合理地预测所有的试验情况。正如会议主席Finn所说:“没有给任何一个本构模型戴上王冠”。这也是符合当前的土力学理论发展的现状的。
1982年在法国召开了“土的本构关系国际研讨会”人们用不同的理论模型对砂土和粘土的复杂应力路径和应变路径的试验结果进行了类似的预测。如上所述,也对试验本身进行了检验⑥。
1987年在美国克里夫兰召开了“非粘性土的本构关系国际研讨会”⑦。会议征求对真三轴试验和空心扭剪试验结果用理论模型进行预测。共有世界各国的32个土的本构模型参赛。其中包括:
3个次弹性模型(H)
3个增量非线性弹性模型(I)
1个内时模型(E)
9个具有一个屈服面的弹塑性模型(EP1)
10个具有两个屈服面的弹塑性模型(EP2)
6个其他形式的弹塑性模型(EP)
会议将预测结果与试验结果比较,按四个单项评分。评分的标准见图5(本结构模型预测的评分标准)。规定了上下限,按统计方法打分。图6(轴向应力应变关系得分的直方图—满分100)与图7(体应变与轴向应变关系得分的直方图—满分100)表示出b=常数的真三轴试验的预测得分情况。可见其轴向应力应变关系预测经过还差强人意;而体应变的预测则基本是全不及格。
这些“考试”基本上反映了人们当前认识和描述土的应力应变关系的能力和水平。它表明,即使对于实验室制作的重塑土试样,其应力应变关系也是相当复杂的。现有的关于土的本构关系的数学模型的描述能力在精度和条件方面都是有限的。有的模型使用了20多个,甚至40多个常数,结果仍然不另人满意。
1.土工加筋挡土墙的计算
60年代以来,随着计算机和计算技术的发展,土工数值计算大大加强了我们解决复杂的岩土工程边值问题的能力。有人提出可将土力学分成理论土力学、实验土力学和计算土力学三部分。由于它几乎可以精神任何边值问题,似乎一台打计算机,几页打印纸,就可以驰骋在岩土工程的所有领域。这种表现上的简单、快捷和“精确”,常使青年岩土工作者产生误解,忽视了其与实际工程问题间的距离,轻视在岩土工程实践中积累经验的重要意义。
加筋土的计算是岩土数值计算中很有代表性的课题。它涉及到土的本构模型,筋材的应力应变关系模型和筋土间的界面模型及这些模型涉及的参数。目前已经有较多的计算程序和经验。1991年在美国的科罗拉多大学,由美国联邦公路局资助,在足尺试验的基础上进行了加筋土计算的竞赛⑧。
目标试验是在一个高3.05米,宽1.22米,长2.084米的大型的试验槽中进行的。铺设了12层长为1.68米的无纺土工织物,作成土工织布加筋挡土墙。墙顶采用气囊加压。气囊下铺设5厘米的砂垫层。试验用的土料有两种:一种是均匀的砂土,D50=0.42m;另一种为粉质粘土,塑限Wp=19%,液限Wl=37%。事先公布了砂土的三轴试验,粘土的不同排水条件下的三轴试验,土工布的拉伸试验和筋土问的界面直剪试验等试验的结果。征求世界各国同行们进行数值计算,预算试验观测结果。预测项日有:
(1)两种加筋挡土墙在顶部加载103.5kPa以后的墙顶最大位移、不同位置的墙面位移及筋的应变
(2)在加载100小时后的以上各项位移和应变
共有15个不同国家的大学和研究单位参赛。包括美国的科罗拉多大学等8家,英国的哥拉斯格大学等两家,日本的东京大学等3家。中国和加拿大各一家。其中14家参加了荷载—变形和应变关系的预测。计算的结果见图8(砂土加筋挡土墙的墙顶最大位移计算的误差)和图9(粘土加筋挡土墙的墙顶最大位移计算的误差)。它们分别表示了砂土和粘土在上述荷载下的墙顶最大位移的预测误差。有几家没有预测粘土加筋挡土墙,有几家计算得到的结果表明,在此荷载下挡土墙早就破坏。只有少数计算的误差在30%以内。
对于砂土加筋挡土墙试验的破坏荷载是207kPa,预测值从10kPa到517kPa不等。粘土加筋挡土墙在荷载加到230kPa时由于气囊爆破而未能继续试验,但挡土墙并没有破坏。计算的破坏荷载在21kPa到207kPa之间。其误差之大令人沮丧。
2.土的液化分析方法的检验
在1989-1994年间由美国NSF拨款350万美元,资助用离心机模型试验来检验地震反应分析方法。这是NSF历年来投入单项经费最多的项目。项目简称VELACS。参加的单位和个人包括:美国加州大学戴维斯分校,加州理工大学,英国剑桥大学等7座大学;其中有10名美国国家科学院院士和英国皇家学会会员。参加考试的考生有美、加、日和欧洲的23个数值计算专家和研究组。
项目动用了9台带有振动台的土工离心机,并且进行了平行试验。模拟地震的振动模型试验内容包括:
(1)水平自由地基
(2)倾斜地基
3)组合地基(一半是密砂,另一半是松砂)
(4)成层水平地基(刚性箱和柔性箱各一种)
(5)护岸的重力式挡土墙
(6)堤坝
(7)心墙坝
(8)砂基础上的刚性建筑物
涉及以上9种边值问题的模型试验,都是相当简单的工程问题。在土工离心机试验的基础上,提出了三类考题:
A在离心机试验前,提供试验的初始条件和边界条件,在尚无任何试验资料的情况下,进行数值计算。是一种“盲测”。
B离心试验完成以后,但不公布试验结果。但向计算者提供试验的较为详细的条件和细节。
C公布试验结果,让“考生”用自己的数值计算进行计算,比较。
考试的成绩按照ABC的次序有所提高,对于A类考题,有30多个数值计算模型参加考试。预测的地震反应加速度比较接近;计算的静孔压和沉降量与试验量测的结果比较,趋势还是相同的。但二者差别很大,多达几十倍。但是在试验后,考虑了试验中的具体条件量测方法,修正计算条件和参数,计算结果明显改善。
结论与讨论
土的力学性质是非常复杂多变的,岩土工程问题具有很强的不确定性。目前我们的理论分析、数值计算和勘探试验还远不能精确定量地描述,反映和预测它们。对此应当有清醒的认识。但是正确的理论和有效的方法应当能够揭示土受力变形的基本规律,反映岩土工程中的影响因素及影响的范围。
对于岩土工程问题,正面的纯理论和数值预测和计算,往往是很难奏效的。必须详细地了解实际的条件和过程,熟悉当地的情况,积累经验,对理论和参数进行合理修正;在工程中不断观测和积累数据,在其基础上合理选取参数,再计算和预测以后的变化,往往达到很高的精度。因而,有人提出在复杂的岩土工程中需要“理论导向,经验判断,精心观测,合理反算”。这是非常中肯和宝贵的认识。
在土力学和岩土工程中逐步引进不确定性的理论方法是一个重要的发展方向。
参考文献
①ConstitutiveRelationforSoil,Ed.Gudehus,G.,1984
②Bianchini,G.et.al,,ComplexStressPathsandValidationofConstitutiveModel,GeotechnicalTesting,Journal,1991,14(1):13-25
③Corte,J.F.Etal.,.ModelingofTheBehaviorofShallowFoundation_ACooperativeTestProgramme,Centrifuge88,Corte(Ed)1988Balkema,Rotterdam,ISBN9061118138
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2.1由于地质形态造成的问题:通常包括确定不明的地下物体、地下空洞以及岩石的分布形态和相关位置等。
2.2岩土参数的相关问题:需要对一些难以取到原装的岩石以及难于在室内进行实验的粗颗粒土、风化石以及残积土等。这些岩石的参数是比较难确定的。
2.3技术素质的问题:工作人员的专业素养和知识水平也会对岩石勘察工作产生巨大影响,一些工作人员缺乏基本的专业素质或者是技术交流能力,也是造成岩石勘察工作问题的重要原因。
3提高勘察水平的解决方法
3.1随着电子、电子计算机技术的飞速发展,近十几年来,工程物探专业根据弹性波理论、电磁波理论和电学原理发展了许多新的工程物探方法并相应发展了一大批集数据适时采集处理,软、硬件功能于一体的工程物探探测设备,它具有采样密度大、速度快、成本低、信息量大等特点。可以利用工程物探可连续加密测点的办法来获得连续的地质界面。从而有效的解决传统钻探手段以点带面划分地质界面时常带来的漏判、划分不准确等缺点;并且可以利用综合工程物探方法有效地解决传统勘察手段难于解决的诸多岩土工程问题,如地下不明物体、洞穴、软弱结构面、滑动面、断层、破碎带等在地下的分布特征、形态、埋藏深度、位置。并且可以提供许多工程建设所需的岩土动力参数和设计地震参数。相对传统的钻探方法,工程物探技术使用时受场地、地形条件的限制较少,具有节省时间、费用且勘探精度高等特点。但是,各种工程物探方法的有效性决定于它对探测对象的适用性,物探条件的适用性越强,解决问题的可靠的性越大,因此,为了有效地解决某些复杂的岩土工程技术难题,必须采用多种工程物探手段和钻探联合使用的方法,起到互相补充、互相验证的作用。合理地选择、运用工程物探技术与传统勘探手段相结合,无疑是解决岩土工程勘察中存在的主要问题的有效手段之一。
3.2加强室内、外测试新技术和施工检测、监测技术的使用,通过其所获得的数据和资料,经过分析、对比,建立它们之间的经验关系,并通过工程施工检测、监测所获取的实测资料反算得到的参数作为对比依据,确保所提供的岩土工程设计参数的可靠性。并达到解决那些采用传统勘探手段难于获取可靠的岩土工程设计参数等问题。此外,还可以利用土工离心模拟技术检查工程安全的可靠性;验证堤坝、边坡的变形和稳定性;解决建筑物浅基础的地基变形特征、破坏模式及极限承载力,桩基础的承载力和施工工艺对桩基础承载力及变形的影响;解决挡土结构的变形及破坏机理,土体与结构物之间的相互作用;了解动力工程、砂土液化、单桩和群桩在水平动荷载作用下的性状。
4针对我国岩土工程勘察提出的建议和对策
虽然我国岩石工程勘察技术得到一定发展但是仍然不能满足我国发展的需要,而造成这一问题的因素比较多,我国必须要结合自身发展实际选择正确的方式解决,主要从以下几个方面入手:
4.1要不断加强对岩土工程技术人员的培训,提高勘察人员整体素质;岩土工程勘察是一项专业技术工作,集多种学科于一体,近年来,随着勘察工艺和技术的不断发展,各种新的规范和标准不断更新,因此,岩土工程勘察人员必须与时俱进,提高自身的专业素质,以适应新时代的岩土工程勘察要求。在推行土木工程师准入制度的同时,要不断加强对勘察人员的培训,以全面提高其技术水平和专业素质。此外,还应该不断加强勘察市场的监管,推行勘察监理体制。
4.2要不断加强勘察质量的认证,健全勘察质量管理体系。建立专业的质量管理体系,设置以过程模式作为勘察标准的结构。而且要明确勘察工作的质量标准,通过过程方法对岩土工程实施PDCA的勘察管理方式,以全面提高勘察工作的质量及作用。
4.3对建设程序、市场勘察进行严格的规范,科学的建设程序应该严格坚持先勘察、再设计、后施工的流程。对于投资决策的工程,如没有科学的地质勘察资料,则不予报建。对于未按照地质勘察规范进行勘察的的工程不予报建。此外,还应该建立高效的市场约束体系。一方面加强国家和政府法律法规的监管,通过项目招投标制度和实际过程中对行为主体进行有效的监管;另一方面应该实行工程建设全程监理制,通过事前、事中、事后全程勘察的地质控制办法,以最大限度的避免建设过程中的地质问题,从而确保勘察有效,使建设投资效益最大化。
4.4定期进行勘察设备的维护和保养。随时掌握各种室外勘察设备和室内试验设备的完好性能,这是确保勘察工作有效进行的基础。对于现有的仪器设备应该定期进行检测,以确保其工作性能和状态,对于老化陈旧的设备仪器要及时更新换代。
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一、我国城市轨道交通建设
1.我国轨道交通建设的发展概况
随着我国城市人口和车辆的不断增加,在一些较为拥挤的大中城市地面交通已无法满足人们的出行要求,这些城市面临巨大交通压力。而地下铁道与轻轨在解决城市交通问题上越来越显示其重要地位。
自上世纪90年代中后期,我国的轨道交通建设进入了高速发展时期。至今为止,我国已有许多城市如北京、上海、广州、深圳、南京等拥有多条地铁线路在运行,对这些城市的发展和提高百姓的日常生活质量做出了巨大贡献。此外,现在各大城市都把地铁和轻轨建设列入未来的城市规划中,有些规划的线路已经在建。可以说,我国地铁和轻轨建设的发展趋势是长期的、持久的。
2.地铁轻轨建设对城市地下空间开发的带动作用
地铁等地下交通设施的建设,带动了地下商场、地下停车厂、地下管廊、地下交通等等设施的发展。随着城市建设的不断发展,城市地面可利用的空间越来越少,必须向地下要空间,城市地下空间开发利用已成为必然的趋势。地铁和其它地下场所构成了未来城市人们生活的新的空间。
二、地铁工程主要施工方法
地铁规范中所指的城市轨道交通是指在城市中修建的快速、大中运量用电力牵引,采用钢轮钢轨的轨道交通。线路可在地下、地面或高架桥上敷设。本文在这里主要涉及的是地下敷设的地铁的施工方法。地铁的不同组成部分施工方法有所差别,应具体情况具体对待。车站工程的主要施工方法有明挖法、暗挖法以及盖挖法。区间工程的主要施工方法有明挖法、暗挖法以及盾构法。附属工程主要指地铁车站的风道、出入口等,主要采用明挖法和暗挖法施工。车站、区间及附属工程施工方案的确定,通常综合考虑地质及水文地质条件,社会环境要求等因素进行多方案比较,最终选择适合的施工方案。
1.明挖法。目前全国各大城市的地铁施工中明挖法施工的车站及区间占很大比例。明挖法的施工主要是采取桩+支撑或桩+锚索、土钉墙以及地下连续墙等作为围护结构,在维护结构安全稳定的状态下进行基坑内的土方开挖及结构施工。具有施工简单、造价相对较低等优点,但对地面交通的影响较大。
2.暗挖法。暗挖法的施工特点是在地质条件的情况下,采用超前支护体系对地层改善、加固。在超前支护的保护下采用复合式衬砌方法进行地下结构的初期支护及二衬施工。施工中遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤测量”的十。
此外,盖挖法、矿山法、盾构法也各具特点和优势,这里不再一一叙述。
三、锚固技术在地铁工程中的应用
地下铁道建设的繁荣与发展给锚固技术带来了极好的发展前景,相应的,锚固技术的发展也给地下铁道的建设带来了革命性的进步。目前的地下铁道工程的施工已广泛应用了锚固技术,无论是明挖法施工还是暗挖法施工,维护结构及超前支护结构的施工都离不开锚固技术。
1.锚固技术在明挖法施工中的应用。对于明挖法施工的地铁车站深度较浅的基坑(指基坑开挖深度在10m以内),有条件时,宜采用较为经济的土钉墙体系。深度较大、基坑宽在30m以上时,一般采用桩+锚索(杆)体系。
从目前地铁车站、区间的深度分析,采用桩+锚和地下连续墙+锚作为围护结构的居多。从经济上考虑,也采用土钉墙与桩+锚结合的技术。其中比较典型的是北京地铁五号线雍和宫站,其一侧围护结构上部为土钉墙,下部为桩+锚,另一侧围护结构自上至下均为桩+锚。在软土、沙层等土层,锚索采用钢绞线,长度为20~30m,拉力为300~1000KN,间距一般为1.4m左右。
2.锚固技术在暗挖施工中的应用。在暗挖法施工中,锚固技术主要应用在超前大管棚、超前小导管以及锁脚锚管等方面。
⑴超前大管棚主要用于暗挖隧道下穿大的雨水管、污水管或重要地下构筑物及隧道开马头处,目的是控制管线或构筑物的沉降。施工一般采用地质钻,对较长的管棚,可采用夯管锤或定向钻。地铁大管棚一般采用小于300mm钢管,管内填水泥砂浆。管棚长度一般为10~20m,目前,最长的管棚已达到120m。管棚施工会扰动土层,一般要有5mm的地表沉降。
⑵小导管主要应用于浅埋暗挖法施工的超前支护,用以防止开挖面拱部土体塌方。小导管场度为3.0~3.5m,前端设有注浆孔,用打入方式置入土层,上倾角10°~15°。导管安装后,向管内注浆。注浆可采用单液浆或双液浆,浆液扩散半径为15cm。超级秘书网
⑶锁脚锚管是为控制暗挖施工土层沉降的措施,即在隧道开挖初期支护拱脚部位,增设一道锚管。
四、岩土锚固对环境的影响
随着地下空间开发及锚杆、锚索应用密度的增加,岩土锚固技术对环境的影响已日渐突出。
在以往的工程建设中,由于未考虑锚杆、锚索对后续工程的影响,特别是新开发城市对占用建筑红线外的地下空间还没有限制,或者城市还没有全面规划,锚杆、锚索占用了过多的空间范围甚至是超出了建筑红线,严重影响了后续工程的开展。
针对以上情况,为解决锚固技术对环境的影响,保护地下空间环境,提出以下建议:
1.城市整体规划中建筑红线的制定,应考虑地铁等地下空间的范围和施工方法。
2.锚索设计与施工时,首先应对周围环境做详细调查,包括对规划方案要详实了解。设计时应充分考虑周围环境和城市规划,施工方案不应对后续工程造成影响。
3.尽量减短锚索长度,以减少影响范围。减短锚索,必须加大锚索抗拔力,可采用大直径旋喷锚体、扩大头锚杆等新技术。
4.锚索施工对周围环境有影响时,尽可能采用其他支护体系。当工程必须采用锚索方案时,应优先选择可拆卸锚索。
5.预应力锚索筋可采用玻璃钢筋或碳纤维筋,其抗拉力可以保证,便于切割,减少施工难度和施工风险。
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是一些性质会得以显现,这边是岩土水理性质。在工程地质性质中,除了岩土的物理性质以外,便是岩土水理性质最为重要了。这一性质在多方面都有所影响,一方面是对岩土的强度和变形有一定作用,另一方面,建筑的稳定性受到极大影响。在以往的勘察经验中,大部分的精力都被投入到物理力学性质的测试方面,相对于水理性质关注很少,因此之前的对于岩土工程地质性质的相关评价并不完善。由于在岩土的水理性质中,岩土和水是主要的相互作用力,所以这里对地下水的赋存形式及其对岩土水理性质和几个较为重要的水理性质(包括其测试方式)做一下简要介绍。首先是地下水的赋存形式方面,依照其在岩土中的分布,可以直接划分为结合水、毛细管水和重力水。再者在主要的水理性质方面(包括测试方法),简要来说可以分为五种,软化性、透水性、崩解性、给水性以及胀缩性。软化性,岩土经过水的浸湿,力学强度相对降低的特性,以此可以对岩石的耐风化和耐水浸能力做出合理的判断,这类特性普遍存在于粘性土层、泥岩、页岩和泥质砂岩中;透水性,在重力作用下,水可以透过岩土流出,而在判断透水性的强弱时,可以依据岩土的颗粒粗细以及均匀程度来进行识别,一般来说,颗粒较细、分布不均的最容易发生这一性质的作用,反则相反;崩解性,当岩土被水浸湿后,一些土粒间的连接能力降低,便容易发生解体;给水性,在重力作用下,过于饱和的岩土中的水便会经由孔隙、裂隙中自由流出,通常以给水度进行标示,而一般在对给水度进行测定时需要在实验室中进行;胀缩性,一般来说,岩土经过吸水作用后会促使体积的不但扩大,反之则体积减小,所以岩土在胀缩性能方面发生的变化主要是由于水膜对水的吸收程度来决定的。
三、地下水引起的岩土工程危害
在岩土工程中,较为主要的危害是地下水的作用,在升降变化的水位以及动水压力的影响下所造成的。
1.岩土工程受到地下水升降影响后产生的危害对于地下水位方面的变化,引起的因素可能是多方面的,有自然原因以及人为原因,不论缘由为何,结果必须引起重视,因为在地下水位达到一定的标准时,就会对岩土工程造成不同程度的危害。在引起方式方面,主要有以下三种。第一种,水位上升引起岩土工程危害。促使水位上升的因素是有很多,不过最为主要的是地质方面的影响(含水层结构、总体岩性产状)。除此之外,水文因素、气温因素以及人为因素都会对其造成影响,甚至很多时候多种因素结合造成影响。潜水位上升会对地质造成不少影响,比如土壤沼泽化、盐渍化,斜坡、河岸等岩土体岩产生滑移、崩塌,粉细砂及粉土饱和液化而出现流砂、管涌,以及地下洞室充水等所造成的建筑失衡。第二种,水位下降引起的岩土工程危害。在这一状况中,大多是由于人为因素所造成的,比如大量抽取对地下水以及大量开采矿物资源,一些地方还利用下游地下水补给大坝,都会造成严重的水位下降。由此,会出现地质灾害(地裂、地面沉降、地面塌陷)和环境问题(地下水源枯竭、水质恶化),使得建筑遭受很大安全威胁。第三种,地下水频繁升降所造成的危害。地下水升降会使得岩土本身不断膨胀收缩,从而导致变形,如果升降水位的现象发生的过于频繁,则会促使地裂的发生,最容易受到影响的便是轻型建筑物。
2.岩土工程在地下水动压力影响下产生的危害通常来说,地下水纯天然状态存在时,相应的动水压力会比较微弱,对安全没有什么影响,但是加之人为的工程作用,纯天然的自然环境遭到破坏,这一情况下回使得岩土工程发生较为危险的事故,对安全造成威胁。
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2.1信息管理技术在岩土工程设计方案中的实现
对岩土工程设计方案的实施就是岩土工程施工,工程孔施工、地基处理、以及开挖、爆破施工等都是岩土工程的主要工作内容。当前,我国多是通过现场技术人员凭借既往的施工经验、严格按照施工方案和图纸进行岩土工程的施工,其管理和监督多由监理单位、建设单位以及政府相关职能部门负责。但是在施工场地的地质条件具有较高的复杂性或者施工过程中出现的突发状况与设计方案不相符合的情况下,如果仍然按照原来的设计方案进行施工,那么施工的安全性和可靠性就难以保障,在岩土工程中应用信息化管理技术就能够有效地避免此类现象的出现、岩土工程信息管理系统实现流程如图3所示。
2.2监测信息反馈和信息化施工
在岩土工程的施工中,监测信息反馈技术和信息化施工具有十分重要的作用,由于岩土工程施工的复杂性和多变性,因此在整个施工过程中要对施工进度、资金出入状况进行良好的控制,并了解中央地方的各种法律法规,只有这样才能更准确的掌握各类资源,为管理者提供更合理的决策。在岩土工程施工的过程中,必须要对每种方案所需的经费以及预期取得的收益进行考虑,并对工程项目对环境造成的影响进行分析,通过对各个指标进行综合分析,选出经济效益好、对环境污染小的设计方案。我国岩土工程的评价主要是计算经济效益费用比、净现值、内部收益率、投资回报年限等指标的期望值,并据此进行方案优选。但是由于岩土工程施工过程中的各种不确定因素的干扰使得每种方案的效益和经费都是不确定的,效益和风险并存。不确定性指的就是问题的结果不确定,对工程项目的各种风险发生的概率以及带来的后果必须做出相应的分析,对风险做出定量的估算。一般风险管理有以下五个步骤:(1)风险的鉴别:鉴别风险的来源、特性及与行为或现象有关的不确定性;(2)风险的量化与度量:利用概率论等数学知识,对可能发生的风险进行量化分析,找出风险发生的概率值,找出风险源,并理清楚各个风险之间的相互关系。(3)风险评价:使整个风险评估与风险管理的过渡阶段。(4)风险接受和规避:这一步代表“风险决策”。对每一个决策,通过对成本的评估、对效益的估算、对风险对社会造成的影响,对环境造成的破坏进行详细的分析,分析风险的可接受程度。(5)风险管理:这一步代表在(4)基础上进行的“执行”过程,
2.3岩土工程施工中信息管理技术在的优点
使施工记录的集成化管理得到有效地实现并全程跟踪和记录施工过程是信息管理技术在岩土工程信息化施工中的关键作用。在岩土工程的施工中,信息管理技术在的优点主要体现在以下几点:(1)对岩土工程的施工信息进行集成化记录和管理,可以对比分析当前施工的信息和已建工程的信息,尤其对一些地质条件复杂度高、突发事件容易发生的岩土工程进行施工时,可以以施工场地内地下水位、水质的实际情况以及岩土体变形、压力的变化情况等信息为依据,对施工方案进行及时地调整,并制定有效的预防方案。(2)在岩土工程中引入信息管理技术有助于建设单位、监理单位和政府相关职能部门对岩土工程的施工过程进行更加有效地管理和监督,因为利用信息管理技术可以使施工记录的录入和提交更加及时,并且不能随意更改提交的数据,这样可以避免出现偷工减料等违规作业现象。(3)在岩土工程中引入信息管理技术,为后期施工记录、竣工验收报告等资料的提交和归档提供了方便,并且促进了施工记录由纸质向电子化方向的转变。
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岩土工程勘察在快速的发展过程中,不论是在体制还是在勘察方法、计算机辅助软件、勘察报告编制等各方面工作都有了长足的进步,并且还在在不断优化中。岩土工程勘察工作研究的主要对象是地基和基础以及地下工程的关系。由于地基土是因地而异的,在接受一项岩土工程勘察任务时,必须明确该工程的主要技术矛盾是什么,需要解决哪些主要技术间题。在对设计意图和设计要求以及建筑物荷载情况了如指掌的情况下,在岩土工程勘察实施过程中,根据工程的具体情况,就基础及地下工程的设计、施工过程中可能遇到的问题,给以充分的论证和分析,最终提出经济合理、技术可行的解决方案。只有这样,岩土工程勘察才能提高勘察成果质量,才能有较大的市场。
一、岩土工程勘察的方法
1.1工程地质测绘。工程地质测绘是岩土工程勘察的基础工作,一般在勘察的初期阶段进行。这一方法的本质是运用地质、工程地质理论,对地面的地质现象进行观察和描述,分析其性质和规律,并藉以推断地下地质情况,为勘探、测试工作等其他勘察方法提供依据。在地形地貌和地质条件较复杂的场地,必须进行工程地质测绘但对地形平坦、地质条件简单且较狭小的场地,则可采用调查代替工程地质绘。工程地质测绘是认识场地工程地质条件最经济、最有效的方法,高质量的测绘工作能相当准确地推断地下地质情况,起到有效地指导其他勘察方法的作用。
1.2勘探与取样。勘探工作包括物探、钻探和坑探等各种方法。它是被用来调查地下地质情况的并且可利用勘探工程取样进行原位测试和监测。应根据勘察目的及岩土的特性选用上述各种勘探方法。物探是一种间接的勘探手段,它的优点是较之钻探和坑探轻便、经济而迅速,能够及时解决工程地质测绘中难于推断而又急待了解的地下地质情况,所以常常与测绘工作配合使用。它又可作为钻探和坑探的先行或辅助手段。但是,物探成果判释往往具多解性,方法的使用又受地形条件等的限制,其成果需用勘探工程来验证。钻探和坑探也称勘探工程,均是直接勘探手段,能可靠地了解地下地质情况,在岩土工程勘察中是必不可少的。其中钻探工作使用最为广泛,可根据地层类别和勘察要求选用不同的钻探方法。当钻探方法难以查明地下地质情况时,可采用坑探方法。坑探工程的类型较多,应根据勘察要求选用。勘探工程一般都需要动用机械和动力设备,耗费人力、物力较多,有些勘探工程施工周期又较长,而且受到许多条件的限制。因此使用这种方法时应具有经济观点,布置勘探工程需要以工程地质测绘和物探成果为依据,切避盲目性和随意性。
1.3原位测试与室内试验。原位测试与室内试验的主要目的,是为岩土工程问题分析评价提供所需的技术参数,包括岩土的物性指标、强度参数、固结变形特性参数、渗透性参数和应力、应变时间关系的参数等。原位测试一般都藉助于勘探工程进行,是详细勘察阶段主要的一种勘察方法。原位测试的优点是试样不脱离原来的环境,基本上在原位应力条件下进行试验所测定的岩土体尺寸大,能反映宏观结构对岩土性质的影响,代表性好。试验周期较短,效率高尤其对难以采样的岩土层仍能通过试验评定其工程性质。缺点是试验时的应力路径难以控制、边界条件也较复杂有些试验耗费人力、物力较多,不可能大量进行。室内试验的优点是试验条件比较容易控制边界条件明确,应力应变条件可以控制等入可以大量取样。
1.4现场检验与监侧。现场检验与监测的主要目的在于保证工程质量和安全,提高工程效益。现场检验的涵义,包括施工阶段对先前岩土工程勘察成果的验证核查以及岩土工程施工监理和质量控制。现场监朋则主要包含施工作用和各类荷载对岩土反应性状的监测、施工和运营中的结构物监测和对环境影响的监测等方面。检验与监测所获取的资料,可以反求出某些工程技术参数,井以此为依据及时修正设计,使之在技术和经济方面优化。
二、岩土工程勘察常见的问题
2.1勘察质量不高。目前许多勘察单位已实行企业化,由原来的行政拨款改为自负盈亏,勘察任务也由原来的上级下达改为单位自找。于是,有的勘察单位为了眼前利益,放松了对勘察质量的管理,造成勘察成果质量下降。主要表现有:第一,由于勘察工作量不足,为了能争取任务,只好压低预算价,但又要利润,就减少工作量,该做的项目不做或者少做;其次,是钻探、测试及取样不符合规范要求,现场勘察时,为了抢速度,钻探取样不执行规范,往往是2~3m才提一次钻,结果往往造成分层位置不准确,或漏掉一些特殊的地质现象,如薄的软弱透镜体,小裂隙等。此外取样时,有的不用取样器,而直接从岩芯管中取原状土样。更有甚的是个别单位原位测试时,现场只做少量几个,其余的照此编造了事。
2.2勘察纲要编制不完整。部分单位勘察纲要内容不完整,甚至未经审核审定就施工。也没有勘探点平面布置图。个别单位甚至无勘察纲要。责任人签名或仪器编号填写不全。如室内土工试验、野外施工记录、静探试验记录缺责任者签名及试验日期,缺乏可追溯性,部分漏签、部分自动记录静探数据无责任人签名。不少单位对勘察原始资料的校审未真正落到实处少数单位原始资料归档制度不完善,有的原始资料缺失。
2.3忽视生态环境的论证。一些勘察单位对岩土工程设计、施工论证不足,其结果是导致灾难性后果。如建筑场地四面紧邻高层建筑物或马路,对于这种建筑场地,岩土工程勘察时,除了按高层建筑岩土工程勘察规定的一般要求进行外,还应重点论证工程施工及运营时对周围环境的影响,但勘察报告中常常忽略这方面的工作,致使无法满足岩土工程施工及设计的要求。基坑开挖时使用的很多技术手段很难取得预期效果,反而造成很大的经济损失。
三、强化岩土工程勘察的措施
3.1严格执行建设程序、规范市场行为、推行全程化监理科学的建设程序应当遵循“先勘察、后设计、再施工”的原则。不按原则办事,必然会受到自然规律的惩罚。一方面必须仰仗政府主管部门按国家的法律、法规,对项目招投标和实施过程中的行为主体进行全面有效的监督管理,另一方面应积极推行工程监理全程化,采用事前、事中、事后控制相结合的方法,最大限度地避免不当行为的发生,保证勘察质量和投资效益最大化。
3.2严格市场准入、尽快实施注册土木工程师制度,加强相关人员培训经过近年勘察设计资质换证,对勘察设计单位进行了一定的清理整顿,对规范市场起到了一定的作用。但应该清醒地看到,我国的勘察资质门槛很低,尤其是打破行业壁垒后不同行业间的衔接过渡尚未完成,以高级工程师的数量来衡量技术水平不能如实反映勘察企业的技术实力。建议尽快实施注册土木工程师制度,通过采用企业资质和个人执业资质双重控制来规范勘察市场、促进勘察技术水平的提高。
3.3加强勘察设计单位的质量认证,健全质量管理ISO9001∶2000质量管理体系确立了以过程模式作为标准的结构。勘察设计企业应通过有效应量管理体系的要求,运用过程方法,采用PDCA循环进行岩土工程勘察的实施和管理,持续改进。提高勘察设计的能力,增加顾客的满意程度。:
3.4采用先进的岩土工程勘察技术在岩土工程勘测中,为了避免勘探点布置的随意性,可使用克里格法。在岩土工程分析评价中,为提高精确度,可使用多道瞬态面波勘探技术和高密度点法。岩土工程勘测中,为了准确确定地基承载力特征值,可使用回归分析。岩土工程勘测资料的整理中,为了保证成果的正确性,应使用计算机进行处理。
参考文献:
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(一)不确定性
一般岩土工程的勘察报告中只有很少一部分的场地数据,因此造成了对场地岩土的性能了解的不够透彻;岩土的结构和性能的参数常常会随着客观条件的变化而出现一定的变化,而岩土工程的施工恰恰又很容易对环境条件造成改变;若是相应的岩土结构发生变化,那么将会直接影响到岩土施工,为工程施工带来很大的不确定性。
(二)区域性
岩土根据区域以及自然条件的不同,其性质也存在很大的差异。不同性质的土应力应变关系都是不一样的,对施工也有着不同的要求。在施工的技术选择上,上海比较重视软土的,而重庆地区注重山区岩石的,这些都是由于区域性所造成的不同。
(三)隐蔽性
像锚杆等是岩土中的隐蔽施工,在运行中也同样是在隐蔽的环境下所进行的,问题不容易被发觉,一旦出现问题进行处理的难度也相对较大,同时对问题的解决程度也需要靠时间来验证。
(四)依赖性
随着科技的进步逐渐的出现了沉井施工技术、高压喷射注浆法等,使得我国的岩土施工技术走上了一个全新的局面,使得岩土工程的科技含量越来越高。
(五)前导性
对于施工技术的研究,一般都是先对施工的效果进行分析,然后再计算理论和设计的方法,一些技术发展的十分迅速,但相应的计算理论和设计等仍在缓慢的进行。在这一点上充分说明了岩土工程施工有着一定的前导性。
三、岩土工程施工中新技术的应用
(一)沉井施工技术
沉井施工技术也是沉箱施工,它具有很多的优势,主要包括:沉井施工技术对周边环境所造成的影响较小,施工所需场地也较小等。这些优势使得沉井施工技术比较容易被岩土施工企业所接受,在城市的建设中也就得到了一定的发展和应用。此外,沉井结构能够依照原本的设计来进行麦田,这样就能更好的保证结构的稳定性和整体性,将承载的面积扩大,以此提升了承载的水平,也正因如此,才被施工企业所广泛的应用。
(二)泥浆护壁钻孔灌注桩施工技术
在岩土工程施工中,泥浆护壁钻孔灌注桩施工技术已经得到了一定的应用,目前已经成为了岩土施工中一种比较常见的施工技术。近年来,我国的科学技术不断的发展,使得岩土工程的施工设备及材料等方面都得到了进步,由这些设备和材料所研发的新技术也得到了广泛的应用。泥浆护壁钻孔灌注桩施工技术作为现代工程中的常见技术,有着无噪音、无振动等特点,这些特点使施工技术比较适用于地下水位较浅的地层施工。
(三)喷射混凝土施工技术
所谓喷射混凝土技术,就是将按照一定比例所调和好的料利用喷射机将材料喷射在受喷面上,最终使受喷面接触到拌合料之后凝结成混凝土,从而达到加固的作用。现代岩土工程施工中,喷射混凝土施工技术也得到了广泛的应用,尤其在深基坑支护等方面,将喷射混凝土技术与钢筋网结合在一起使用,能起到较好的效果。在进行喷射混凝土技术应用过程中,应对喷射材料的选择和配比上有较好的掌握,同时也要定时对设备进行保养,保证设备的使用性能。可以说喷射混凝土技术在岩土工程施工中发挥着重要的作用。
四、促进岩土工程施工中新技术应用的措施
现代的施工企业应在岩土工程施工新技术上将不断的提高自身技术水平来作为大的前提,因为在工程中,施工技术的水平对整体的质量有着很大的影响,同时也影响着新技术的实施。这就要求岩土工程的施工企业应重视对技术水平的提高,同时也应重视对施工人员技术的培养,努力提高施工人员的技术水平。此外,应依照新的标准和管理来对工程中的管理人员和质检人员等进行培训,将对新技术的推广放到实际中来,使新技术的应用能够切实的提高岩土工程的质量。新技术的应用将给施工企业带来一定的发展和竞争优势,不仅能够在工期上有所减少,同时也能更好的保证工程的整体质量,长久以来将为施工企业带来经济效益上的回报,使企业的效益得到不断的提高。作为岩石工程施工单位的领导应清楚的了解到新技术的应用为企业所带来的好处,积极的将施工新技术和新工艺应用到工程施工中来。对于新技术的应用,能够有效的促进企业的发展,另外也能够提升我国岩土施工的质量以及水平,带动我国岩土工程施工的稳固发展。
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岩土工程勘察外业可以看做是整个岩土工程的前期活动,而岩土工程勘察外业也有自己的前期准备工作,即在勘察前期对整个勘查工作的系统化构思与状况了解。就工作性质而言,作为一名合格的岩石工程勘察人员,在分析岩石工程的过程中不能局限于基础工作的记录,必须通过详细的现场分析实际勘测,找到地质中存在的不良现象以及可能存在的安全隐患,并结合工程的实际需求评估工程实施的可行性,并走访当地的居民,根据当地的建筑结构类型分析当地需要采用的地基建造类型。通过对已有的建筑绘制结构图纸,并将房屋结构以及地下水利用状况进行分析,确定工程的便利性及安全性。在进行勘察前期工作时必须注意对基本资料的收集,不能忽视任何细节。通过收集的信息结合计算机仿真技术进行当地地质情况以及建筑结构的模拟,以此为岩石工程勘察外业工作提供有力的数据支持,提高工作准确率。勘察前期的工作不仅能够为后期工作提供资料支持,还能够为扦插工作提供布置工作的依据,一般进行完勘察前期的相关工作后即可进行勘查工作任务的布置和安排,使得勘察工作有条不紊的进行。勘察前期的重要性主要体现在为整个岩石工程的提供了有力的基础支持,由于房屋建筑中的地基一样。通过勘察前期工作不仅为勘查工作做好铺垫,也能够初步判断岩土工程的效益及可行性,形成岩土工程的初步概念。如缺少了勘察前期工作不仅勘查工作的进展受到影响,还会导致岩土工程在施工过程中可能由于基础条件不足造成重大的损失。
3.勘探与取样的重要性
3.1勘探
勘探是对物探、钻探以及坑探等各种勘探方法的总称。从其作用上来看,勘探主要是确定勘探处的地质情况,并结合取样过程对相关因素进行测试分析。物探是一种基本的间接勘探技术,其最大的特点是操作过程简便,浪费较少,方式经济,并能够迅速得出勘探结果,在实际使用过程中常结合测绘技术综合考量。通过物探能够为岩土工程提供初步的实测数据。另外物探还能作为坑探以及钻探的先行工程,辅助坑探以及钻探的有效展开。钻探以及坑探是勘探工程的主要组成部分,也是应用比较直接的勘探方式。通过钻探以及坑探能够准确掌握地质情况,并未后期工作的展开提供有力的支持。从周期上来说,钻探以及坑探由于工作的严谨性以及全面性,在准备以及工作内容上更为周到,因此相比于物探而言周期更长。实际勘探中钻探以及坑探是必不可少的,尤其钻探工作的应用最为广泛。对勘探方法的选择主要结合当地的地层类别以及勘探要求选择最佳的方法,当勘探情况不明时最好采用坑探。勘探能够准确掌握岩土工程的地质情况,为工程提供有效的决策依据,促进工期的顺利展开。
3.2取样
取样是利用科学的抽样方法,在岩土工程的工作范围内选取合适的样品进行地质情况考察。取样数目一般不少于六组。实际测量过程心中一些工作人员只注重样品数量的选择从而忽视样品的随机性。实际勘测过程中需要选取具有代表性的样品,确保勘测结果的可靠性。选取样品时一定要注意样品间的间距,避免出现在同一区域取样造成实测数据比较片面的状况。取样是对勘测结果量化的重要步骤,实际勘测过程中只有做到科学取样才能够得到准确的数据。
4.原位测试的重要性
原位测试是勘测中的重要组成部分,随一些特殊样品如粘性土壤等就可以利用原装图样进行室内试验,取样过程中样品不会因为受到外力的作用而发生变形,保持其原有的特性。另外一些土壤由于粘性不够在取样过程中会发生变形,因此在进行密实度、强度、压缩性等性能测试的过程中只能通过原位测试的方法进行。对地质情况的勘测必须还原其真实特性,因此在进行相关参数的测量时最好能够让样品最接近于其原始形态。原位测试即能够通过相关手段还原样品的真实性,降低外界因素对测量结果的影响。目前最常用的原位测试方法主要有圆锥动力触探试验和波速测试。圆锥动力触探试验主要是利用锤击圆锥头进入岩土中的原理,根据灌入土中的难易程度判断土质的一种现场实测方法。通过圆锥动力触探试验能够对地质分层进行有效辨别,明确土质的物理特性以及化学特性。波速测试主要是利用相关仪器发出的脉冲波对地质情况进行探究的一种勘测方法,这种方法的准确度高,能够对地质情况进行准确量化,但需要借助相关仪器。原位测试能够准确反映岩土工程的施工效果,通过前期数据测量为后期的方案制定以及计划展开提供有力的基础支持,提高方案的可行性和经济效益。
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1.2勘察方法
勘察方法问题主要表现在勘探钻进方法单一和取样方法不合理上。钻井措施需要根据地质条件选择勘探方法,这要求勘探单位对工程情况进行详细的地质调查,在根据勘探与布置勘探工程的结果选择勘探方法。但是一些勘探单位在未进行地质调查的情况下直接使用电力设备和机械设备进行钻进,不仅增加勘探时间,也消耗更多的资源。在取样方法上,勘探单位未根据设计勘察点的实际情况进行取样。如有些人员对软弱下卧层不进行取样分析,甚至因为表面上满足不少于件组的要求而将应当分层的层位加以合并,对数据的变异性不作检验、剔除。勘察结果经不得推敲,严重影响工程设计和建设质量。
1.3市场制度
虽然近年来我国岩土工程地质勘察单位的数量显著增加,但地质勘察市场化程度并不高,地质勘察市场制度严重缺失,市场调节作用失灵。而且许多新成立的地质勘察单位存在许多“水分”,存在许多皮包公司和外挂单位,严重扰乱地质勘察市场秩序,加剧行业内恶性竞争。激烈的恶性竞争导致一些地质勘察企业或单位为抢占勘察市场,采用压低报价方式提高市场竞争力。这种做法导致地质勘察单位为减少损失而采取偷工减料方式降低勘察成本,最终影响地质勘察质量。
2.岩土工程勘察质量控制对策勘察
2.1建立高水平勘察队伍
针对当前许多一线地质勘察人员非专业人员问题,首先可通过招聘方式引进专业人才,巩固一线地质勘察队伍,提高专业勘察能力。此外,还应针对当前一线勘察人员专业水平较低、知识结构陈旧问题,应加强人员培训工作,实现知识结构更新与新技术设备推广,提高岩土勘察工程人员的专业素质。最后,建立有效的激励机制。如建立两支或以上勘察队伍,实行内部竞争制度,促使勘察人员主动提高自身专业水平。
2.2运用新的勘察方法和技术
运用新的勘察方法和技术不仅可以提高勘察效率,还能提高勘察结果的质量和准确性,提高取样工作的精度。在选择钻进方法上,勘察人员要严格根据勘察规范做好实地地质勘察工作,并以此为基础选择正确的钻进方法;再结合更先进的钻探设备,改进传统钻探技术方法的不足。提高勘察方技术和方法的数字化水平,国际工程施工所采用的先进的设备一般都是数字化管理、智能控制。我国许多较为先进的岩体勘察部门也已经引进了先进的数字技术替代了传统的勘察技术。例如地形勘测方面,传统地形勘测需要借助手工测量,容易引起较大的误差。如采用新型数字化设备,可以方便地得到较为精确的测量结果。对于取样问题,应控制取样质量。如根据不同地质条件的不同选取不同的样本,如不同深度、不同类型的地质样本。
2.3完善岩土工程地质勘察制度
针对地质勘察市场混乱问题,必须建立有效的勘察监督制度,实行严格规范的勘察监督制度对勘察工作进行有效的监督,实行事前、事中和事后控制相结合,最大限度避免不当行为,保证勘察质量。严格市场准入机制,建立注册土木工程师制度。市场因素对勘察质量主要由于地质勘察资质门槛不高,导致地质勘察企业水平参差不齐。因而应尽快实施注册土木工程师制度,控制地质勘察企业及个人的职业资质。最后,加强勘察涉及单位的质量认证,健全质量管理。如采用PDCA循环思进行岩土工程勘察的实施和管理,提高勘察设计能力。
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岩土工程勘察所涉及的基本理论主要包括土力学的理论、工程地质理论、工程力学理论等,这些工程理论都是一种半科学半经验的理论,很多理论是建立在经验的基础上的,如很多公式都是经验公式。岩土工程问题的解决过程实际上是在理论的指导下,岩土工程技术人员利用自己的工程经验,结合工程实际情况,建立相应本构模型,运用合理适宜参数,加上良好的判断力,解决问题的过程。对岩土工程技术人员来说,扎实的基础理论同丰富的经验、良好的工程判断力是同等重要的。在学习和运用理论的过程中,一定要注意隐藏在公式和规律背后的背景知识和真正实际内涵及其假定边界条件。而积累经验的过程可分为分析与预测现场观测对分析、预测和现场观测结果进行比较、分析、评估和总结3个过程,可见积累经验的过程也离不开理论的支持。笔者认为:理论与经验在岩土工程勘察中具有同等的地位,过分强调哪一点都是不合适的。笔者讨论此问题,目的在于目前很多岩土工程技术人员过分强调经验,而对理论的学习和运用不足,这种现象对岩土勘察技术的发展不利;同时用于对年轻技术人员的传、帮、带上,不利于年轻技术人员的成长,甚至会出现以讹传讹。
2、与设计沟通的重要性
《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)要求:房屋建筑工程在进行详勘之前,应收集附有坐标和地形的建筑总平面图,场区的地面整平标高,建筑物的性质、规模、荷载、结构特点、基础形式、埋置深度、地基允许变形等资料。在此笔者要强调勘察前与设计沟通的重要性,因为勘察成果的直接使用者就是设计人,在进行勘察前,勘察人应充分了解设计意图,弄清楚拟建物工程特性,这样勘察工作就能作到有的放矢、经济合理,提供给设计人最直接、最有用的勘察成果。如:现在很多高层建筑都带有裙房,这种项目在勘察前,必须要弄清楚设计拟采用的基础形式及联接方式;还有一些主体不高但跨度很大的建筑,采用柱基布置的勘探孔深度就与采用筏基布置的勘探孔深度有很大差别。所以必须要重视勘察前与设计的沟通。目前有的经营人员和技术人员对此认识不足,造成勘察项目的返工。笔者讨论此问题,目的在于提醒经营与技术人员重视承揽项目和实施项目时与设计的沟通。
3、注意各种等级的划分
在进行岩土工程勘察工作量布置时,应按相应的分级标准,确定项目的相关等级。如勘察等级、地基复杂程度等级、拟建物安全等级、重要性等级等。因为这些等级的划分直接决定了勘察工作量的布置,只有充分了解了各种等级,布置工作量时才能作到安全、经济、合理。
4、注意经济性
岩土工程勘察,应在满足规范、规程要求的前提下,用最经济的勘察手段和工作量实现勘察目的和任务。同时达到相同的勘察目的和任务,所用成本的多少,可从一定程度上说明技术水平的高低。针对当前岩土工程勘察现状,目前的勘察成本在一定条件下还是可以节约的。如:对“桩基础一般性孔深入到桩端以下3~5倍桩径,且不小于3m,对大直径桩不小于5m”这一要求,如勘察方案布置的一般性孔为50m,根据控制性孔资料,40m处分布有良好的桩端持力层且能满足桩基设计要求,项目负责人现场可将50m的一般性勘探孔调整为45m(当然按权限该上报审批的进行上报审批),这样就可节约不少工作量,从而达到经济的效果。再有土工试验项目的选取,也是一条实现经济勘察的重要途径,希望岩土工程技术人员予以重视。
5、重视规范、规程的学习
规范、规程是进行岩土工程勘察工作的依据,对勘察工作的目的、任务、评价等均提出了详细的、可操作的要求,岩土工程技术人员要重视对规范、规程的学习,充分了解其要求,这样在岩土工程勘察的过程中,就不至于出现诸如工作量布置不足、原状土样或原位测试数据不足、未划分抗震地段等问题了。另外规范、规程中的条文说明,技术人员也要认真研读,条文说明中有丰富的信息,对于提高我们的理论水平及正确理解规范、规程具有重要作用。
6、房屋建筑和构筑物岩土工程详勘的目的、任务
(1)查明勘察范围内场地原始地形、地貌,岩土层的成因、类型、深度、分布、工程特性和变化规律,分析评价地基的稳定性和均匀性。
(2)查明埋藏的河道、沟浜、墓穴、防空洞、旧基础、孤石等对工程不利的埋藏物及其分布范围。
(3)查明影响建筑场地稳定性的不良地质作用(包括:岩溶、滑坡、危岩和崩塌、泥石流、采空区、地面沉降、场地和地基的地震效应、活动断裂等)和特殊土(包括软土、填土、污染土、湿陷性土、膨胀土、红粘土、多年冻土等)的类型、成因、分布范围、发展趋势和危害程度,并提出相应防治措施的建议。
(4)查明地下水埋藏情况、类型、补给及排泄条件,地下水位,水位变化幅度及规律;评价地下水(土)对建筑材料的腐蚀性。对基坑工程还应查明各土层的渗透性质,分析评价地下水的静水压力、动水压力及浮托力的作用和影响;预估产生基坑突涌、流沙(土)或管涌等地下水不良作用的可能性及危害程度,并提出相应的防治措施建议;提供基坑施工降水的有关技术参数及施工降水方法的建议;提供用于计算地下水浮力的设计水位。
(5)基坑工程还应查明基坑周边环境,提供基坑设计所需的岩土参数,分析评价放坡开挖的可能性和基坑边坡稳定性,适宜选用的支护结构类型及其稳定性,基坑开挖与降水对地基变形、周围建筑物和地下设施的影响。
7、结束语
使岩土工程技术人员理论与经验、细节决定成败、重视规范学习等方面能有所启示。抛砖引玉,不当之处,敬请批评指正。
参考文献:
[1]赵成刚,白冰,王运霞.土力学原理[M].北京:清华大学出版社,北京交通大学出版社,2004.
[2]GB50007-2002,建筑地基基础设计规范[s].
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1.3勘察报告内容的表述不规范、不全面,对地基设计要面对的情况缺乏准确性的描述岩土工程勘察报告是对勘察结果的一次全面、精确的总结,是工程地基设计以及工程施工过程中的重要依据,但施工单位在勘察报告的描写过程中对勘察结果缺乏一个精确、全面的描述,报告内容的表述方式也缺乏规范性的定义,对工程设计和施工过程中要面对的地质信息没有准确的描述,也缺乏相关性和建设性的建议措施,对工程设计的整体帮作用不大,勘察报告的内容没有上升到相对的高度。
1.4地基设计的过程中对周围环境变化情况估计错误在地基设计的过程中,设计单位只顾着满足工程的要求,对周围环境的情况只作出了寥寥的对应,忽略了地基周围环境变化的情况下会对地基造成的相关影响[3]。事实上,地基承受的作用力来自工程和环境两个方面,而且某种程度上来自于环境的压力和工程的压力相比更加的变化莫测和复杂,在工程地基设计的过程中一定要注意对周围环境变化情况的针对性措施。
2岩土工程勘察和地基设计的问题解决措施
2.1做好工程相关准备工作在准备工作方面,施工单位应该对将要修建的工程具体要求例如工程使用目的、工程结构形式、要求地面标高、成本具体投入、要求材料性质等等有着清楚的认知,对岩土工程勘察过程中要用到的工具和具体过程都有明确的规划,制定相应的勘察纲要,按照纲要来进行岩土勘察工作。
2.2做好工程勘察工作岩土工程勘察工作是一项要求严格、工作复杂、程序繁多的工作,施工单位应该在勘察纲要的指导下对勘察工作中土质信息的钻探、采样、实验、环境测量以及分析、编制等工作都做好质量上的要求,对勘察过程中有关于土质取样、信息分析、数据编制的内容都做好相关的管理工作。综合来讲,施工单位应该加强对勘察结果的质量要求,严格按照勘察程序和工程要求进行。
2.3保证工程勘察报告的规范性工程勘察报告是岩土工程进行地基设计以及施工阶段的工作基础,施工单位应该保证工程勘察报告的规范性,工程勘察报告的内容应该包括对工程现场以及周围土质信息的准确描述、对相关环境变化的情况以及变化情况对地基设计造成的影响清楚的标明、对当前技术条件下建议采用何种的地基材料以及地基的结构形式提出详细的建议和建议的理由作出清楚的描写。总而言之,工程勘察报告一定要具有良好的规范性、标准型,勘察报告的内容一定要精度、准确、全面,对于建议以及建议的理由应该有清楚的描写。
2.4加强地基设计过程中诸多影响因素的估量岩土工程地基设计的质量直接影响到后续的施工以及工程的施工质量,在岩土工程的地基设计过程中设计单位应该在勘察报告的基础上综合工程要求、国家规定的工程建设规范以及工程现场周围环境变化和土质信息的情况综合进行设计工作,对地基的承受力以及地基变形的诸多影响因素都有针对性的解决和改善措施,保证地基设计的结果能够符合相关的要求。
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2.1挡土墙的类型
在平常的工程中,比如常见的土木、水利、交通等工程中,在支护结构施工中经常遇到,挡土结构是支持一些天然或人工边坡坍塌的预防作用,挡土是一种保持土体稳定性的建筑物,故又被称为挡土墙。常用的挡土在路基挡土墙基础两侧壁,两侧壁上,对翼墙进出口和两个侧壁,水力结构桥台,河岸的防护墙,双方港口的边坡挡土墙墙,地下结构的边墙,等。由上面可知挡土墙是多种作样的,如果根据挡土墙的特点可以将其分为重力式挡土墙,悬臂式挡土墙,扶臂式挡土墙,支撑墙,板桩墙挡土墙,锚定板挡土墙,加筋土挡土墙等等。
2.2作用于挡土墙上的土压力
作用在挡土墙上的土压力的来源是土,地下连续墙等结构上的挡土墙土压力,无论什么样的建筑物承受从的侧压力就是土压力。因此,土压力是在保留部分设计的主要考虑因素,检查土壤结构的稳定性。自从十八世纪开始就有许多学者意识到了这个问题并对此进行了研究,而且很多学者还得到了不错的效果并对应提出了许多土压力的计算理论和计算方法。其中最为著名的是1773年库仑(C.A.Cuolomb)提出的土压力理论和1857年朗肯(W.J.Ranklne)提出的土压力理论,这两个土压力理论子已广泛应用于土压力的计算,基础仍在工程建设。作用于挡土墙上的土压力,所受到的因素是多方面的,比如挡土墙的形式和墙体刚硬度、挡土墙的与地面倾斜度及其表面粗糙程度、挡土墙的变形和位移、填土的材料、填土表面荷载情况、地下水情况等等。当挡土墙的形式发生改变时,作用在其上的土压力的大小和分布也会随着改变。正常情况下,只要刚性挡墙,挡墙位移产生足够的,你可以把墙回填土后处于极限平衡状态,然后土压力的分布是一个三角形。恰好库仑土压力理论和朗肯土压力理论都是适用于刚性挡土墙。而柔性挡土墙由于受到墙体本身变形的影响,土压力的大小及其分布与刚性挡土墙有很大的区别。如前所述,对墙体的位移和变形会使作用在挡土墙土压力的变化。静止土压力是指壁静态,而不产生位移,不变形,墙背填挡土墙土压力填充弹性平衡状态。如果墙体填充方向偏离水平位移墙的顶部附近,或在填充墙的旋转方向,或墙在墙附近的地球旋转墙踵,偏离土体的变形方向,静止土压力时,土压力逐渐降低,逐渐失去了原来的平衡状态,如果填充的极限平衡状态,土压力作用在挡土墙被称为主动土压力。被动土压力是指墙向平移或旋转地球的方向,并填写朝墙的位移或变形的方向,墙背填土压实,因为逐渐失去原有的平衡状态,当位移达到一定数量,且土体压密到一定程度,从而使墙背填土处于被动极限平衡状态时,填土作用在挡土墙上的土压力。
3朗肯土压力理论
朗肯土压力理论第一次面世是在1857年,是由英国人朗肯(W.J.M.Ranklne)提出的,这一理论自面世以来由于其概念明确、方法简单、至今仍然被广泛应用。朗肯研究半无限土体内各点在重应力作用下,从极限平衡状态发展过程中的应力平衡状态,然后提出在挡土墙上的土压力的理论计算。这一理论的前提条件是土的极限平衡,在极限平衡的状态下提出如下的基本假定:(1)挡土墙的墙面时竖直且光滑的,接触面是毫无摩擦的;(2)挡土墙墙背面的是各向同性的均质填土,填土表面光滑;(3)在压力的作用下,足够产生位移和变形,是填土处于极限平衡状态。朗肯土压力理论是基于土的应力状态和朗肯土压力理论计算的基础上的两种理论及其研究极限平衡的半空间理论。朗肯在计算挡土墙压力时应用了半空间体的应力状态和土的极限平衡理论。直壁的第一假设回填土表面,光滑,墙的水平。在这种状态下的墙背土压力和剪切对土的界面应力为零。如果不改变右边土体中的应力状态。当主动或被动的挡土墙位移极限平衡条件,朗肯主动土压力与挡在墙背土压力被动土压力的作用。
4三维化的临塑荷载公式
是不考虑中间主应力的影响,但是最近的研究表明,中主应力对土体强度有一定影响,所以,如果计算结果没有考虑中主应力的影响会使计算结果出现误差,导致结果偏小。此外,前者还提到,土是一种颗粒材料,其强度包线和莫尔-库仑准则的三维应力是不同的,一些实验表明,在国内和国外。三维度的SMP强度准则在1974松岗元,NakaiTeruo两位科学家是非常相似的三维土压力作用下的强度包络线。因此,因此,临界荷载公式中引入了三维应力状态,不再采用莫尔-库仑准则的二维,而是直接由三维SMP破坏准则,这样子做不仅可以使现有的临塑荷载理论更为完善,还可以反映出工程实际的情况。
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1.2部分岩土参数不能确定
在勘察工作中,部分原状岩土在对其样品进行采取时具有较大的难度,无论利用室内试验或是室外试验等方法来对参数进行测定,都会导致这部分岩土的参数不能有效的确定下来,这也会对民用建筑工程设计带来一定的影响。
1.3部分勘察技术人员素质不高
勘察工作质量的好坏在很大程度上取决于勘察技术人员素质的高低。但在实际调查中发现,目前很大一部分勘察技术人员不仅理论知识较为缺乏,而且也不具有丰富的实践经验,这就导致因为自身知识广度和宽度的不足,在勘察过程中不能确保工作的高质量完成,不能更好地将岩土工程勘察技术在勘察工作中有效的进行应用。
2岩土工程勘察技术在民用建筑中的应用
2.1工程物探技术
2.1.1钻孔波速测试
为了能够更好地对各类岩体土体的各种波速进行有效的确定,可以利用单孔波速测试手段,这样还可以有效地对相关的岩土参数进行确定,从而可以科学对民用建筑场地类别进行判断。而且利用钻孔波速进行测试,可以有效判断和评价地基的振动特性,有利于对建筑的抗震设计进行有效的指导。在利用钻孔波速进行测试时,需要在民用建筑下布置波速测试钻孔,将三分量检波器固定在孔内预定深度内,同时要对测试的垂直间距进行严格的控制,使其保持在1m左右,在测试时按照从下到上的顺序逐点进行。
2.1.2场地微振动测试
为了能够更好地提高抗震设计的质量,可以对场地微震动进行测试,对脉动幅度值等参数进行确定,从而将场地内的地震区进行划分。另外,在室内外测试过程中,利用各种检测技术可以获取各种数据资料,通过对这些数据资料进行分析和研究,从而确保能够获得更加准确和可靠的岩土工程设计参数。
2.2地理信息系统
当前地理信息系统已经开始广泛应用在空间数据处理中,其主要是以地理坐标为主,通过勘察来获取某一区域内的数据资料,从而利用地理信息系统来有效管理岩土工程勘察信息。地理信息系统在应用过程中得以不断的完善,其功能也不断的增多,不仅具有输入、编辑、维护图形数据和属性数据的功能,同时对于文件型图形数据和关系型的属性数据还具有有效的连接功能,这样不仅有效确保了这两种不同的数据库能够互相进行访问,还可以对图形数据进行更好的分析。由于是完全面对用户进行界面设计,而且还能够提供相应的接口,这样可以有效确保二次开发的顺利进行。利用地理信息系统的空间信息处理能力,可以有效确保信息管理系统可视化功能的实现。当前地理信息系统技术和功能不断完善和发展,其应用领域也在不断的扩大。地理信息系统应用在民用建筑岩土工程勘察工作中,不仅可以将地质资料在工程中进行输入和查询,还可以使可视化综合动态查询和检索功能得以实现,有效确保了勘察信息的真实性和可靠性,这样就可以为勘察管理部门提供更真实的数据,确保其决策的科学性和合理性,有利于更好地指导岩土勘察工作的实施。
2.3遥感技术
利用遥感技术可以确保探测范围和信息量的进一步扩大,同时通过多种先进的技术手段,可以在短时间内即获取到相应的信息,可以实现动态的监测。而且利用遥感技术收集到信息后,可以对信息进行存贮、传输,这对于信息的进一步应用带来了较大的便利。在民用建筑岩土工程勘察中利用遥感技术,可以更好地显现出地域内的不同地貌特征,为工程建设方案的设计提供科学的依据,有利于更好地掌握复杂的地理环境。